Christoph Dustert, CONCEPT Niederlassung der Power Integrations GmbH

Hellweg Forum 1, 59469 Ense, Germany

Andreas Volke, CONCEPT Niederlassung der Power Integrations GmbH,

Hellweg Forum 1, 59494 Ense, Germany

摘要

多年來(lái)，三電平拓?fù)湟驯粡V泛用于各種應(yīng)用。此類應(yīng)用通?；诮?jīng)典的中性點(diǎn)鉗位(NPC1)拓?fù)?，每個(gè)半橋有四個(gè)功率開(kāi)關(guān)(IGBT)，另外還有兩個(gè)鉗位二極管。這種拓?fù)涞囊环N變體被稱為NPC2拓?fù)?，每個(gè)半橋使用兩個(gè)IGBT，另有兩個(gè)IGBT以共集電極連接的方式連接在鉗位電路中。這種拓?fù)湟部刹捎脙蓚€(gè)逆阻型(RB) IGBT來(lái)取代兩個(gè)共集電極連接的IGBT，以減少導(dǎo)通元件的數(shù)量。對(duì)于NPC1/NPC2與帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)?，其門極驅(qū)動(dòng)器的要求（特別是涉及退飽和監(jiān)控和有源鉗位之類的保護(hù)功能）有所不同。本文將討論這些差異，并提供了成熟的解決方案，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)門極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行修改以將其用于帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)洹?/span>

1 介紹

傳統(tǒng)的兩電平變換器拓?fù)洌▓D1a）的特點(diǎn)是具有兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)：直流母線的正電壓和負(fù)電壓狀態(tài)(DC+, DC-)。為了降低輸出波形中的總諧波失真，需要更多的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。眾所周知的三電平NPC1拓?fù)洌▓D1b）可提供此類額外的開(kāi)關(guān)狀態(tài)：N點(diǎn)為0V的中性狀態(tài)。由于更低的電壓波形失真，濾波要求可以被降低。這就使這些拓?fù)涞奈υ絹?lái)越高，因?yàn)闉V波器的成本已成為變換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要影響因素。使用三電平拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是開(kāi)關(guān)器件（IGBT和二極管） 的數(shù)量會(huì)增加，從而增大復(fù)雜度并部分地增加整個(gè)系統(tǒng)的成本[1]。通過(guò)應(yīng)用NPC2拓?fù)洌▓D1c），功率半導(dǎo)體的數(shù)量與經(jīng)典的NPC1裝置相比可進(jìn)一步減少。

圖1 兩電平和三電平NPC1/NPC2半橋拓?fù)涓庞[

可以使用兩個(gè)逆阻型(RB) IGBT，來(lái)替代NPC2拓?fù)渲幸怨布姌O方式連接的兩個(gè)IGBT和二極管。RB-IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可使IGBT承受相同水平的正向和反向阻斷電壓。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)的IGBT能承受的反向阻斷電壓僅為正向阻斷電壓的幾分之一。因此，使用RB-IGBT意味著NPC2拓?fù)渲锌蓽p少兩個(gè)二極管（圖1d）。這樣能夠帶來(lái)眾多優(yōu)勢(shì)，比如降低導(dǎo)通損耗、提高封裝面積利用率、簡(jiǎn)化功率模塊的輔助端子布局等[2]。

2 IGBT 驅(qū)動(dòng)器考慮因素

圖 1 中所示的各種拓?fù)鋵?duì)IGBT 驅(qū)動(dòng)器的要求各不相同。例如，兩電平拓?fù)渫ǔＲ缶邆涠搪繁Ｗo(hù)和過(guò)壓保護(hù)之類的功能即可。比較常用的短路保護(hù)方案稱為VCEsat 或退飽和監(jiān)控，如圖6所示。過(guò)壓保護(hù)一般通過(guò)對(duì)IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓進(jìn)行有源鉗位來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖4 所示為該應(yīng)用的示例。

如果使用三電平NPC1 拓?fù)?，IGBT 在短路時(shí)的關(guān)斷順序?qū)⒎浅Ｖ匾Ｔ谶@種情況下，必須首先關(guān)斷半橋的外部IGBT，然后再關(guān)斷內(nèi)部IGBT。如果未按此順序進(jìn)行關(guān)斷，內(nèi)部IGBT 將會(huì)承受整個(gè)直流母線電壓并將損壞，因?yàn)槿娖絅PC1 拓?fù)渲蠭GBT 的額定電壓“僅為”直流母線電壓的一半[1]。因此，在發(fā)生短路時(shí)驅(qū)動(dòng)器不應(yīng)自動(dòng)關(guān)斷IGBT，而應(yīng)將故障狀況報(bào)告給控制單元，由控制單元來(lái)確保正確的關(guān)斷順序。只有內(nèi)部IGBT 采用了高級(jí)有源鉗位的情況下，才能忽略關(guān)斷順序，并允許驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行自動(dòng)關(guān)斷[3]。

圖 1 中所示的NPC 拓?fù)涞墓餐攸c(diǎn)是，在正常工作期間，相輸出端U 的電壓相對(duì)于中性點(diǎn)N在+1/2DC 和-1/2DC 之間交變，即極性發(fā)生變化。這一點(diǎn)對(duì)于在NPC2 拓?fù)渲蠳 點(diǎn)和U 點(diǎn)之間的IGBT 形成雙向開(kāi)關(guān)特別有意義。圖2 所示為當(dāng)外部開(kāi)關(guān)（此處未顯示）分別導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)這些IGBT 獲得的電壓。

圖2 雙向開(kāi)關(guān)的理想化電壓分布

圖 2a 中IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓始終為正電壓或（理想化）零，這取決于U 處的實(shí)際相輸出電壓。因此，對(duì)于短路和過(guò)壓保護(hù)，無(wú)特殊要求。但是，如果用RB-IGBT 作雙向開(kāi)關(guān)，情況則不同，U 點(diǎn)存在的交變電壓要求修改經(jīng)典的短路保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)電路。否則，驅(qū)動(dòng)器將會(huì)損壞，并最終損壞IGBT。

圖 3（左）舉例說(shuō)明使用富士電機(jī)的NPC2 功率模塊4MBI650VB-120R1-50 進(jìn)行的測(cè)試。此例中的負(fù)載連接在U 和DC-之間，頂部開(kāi)關(guān)T1 導(dǎo)通和關(guān)斷。通道2 的波形（“CE RB-IGBT T3”）顯示了在IGBT T1 的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)N-U 之間的交變電壓。

圖3 使用RB-IGBT的NPC2拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)波形(VDC = 800V, Iload = 650A)

2.1 過(guò)壓保護(hù)功能

一般來(lái)說(shuō)，為了防止IGBT被關(guān)斷過(guò)壓損壞，通常使用有源鉗位電路。（對(duì)于小功率應(yīng)用，也可使用“兩電平關(guān)斷”或“軟關(guān)斷”之類的替代方案[1] ） 。過(guò)壓由換流回路中的雜散電感以及電流的變化率(di/dt)引起。有源鉗位能夠可靠地抑制過(guò)壓，在大量應(yīng)用中已經(jīng)證明其可驅(qū)動(dòng)IGBT進(jìn)入有源區(qū)從而降低di/dt。

圖4 a)標(biāo)準(zhǔn)IGBT和b)、c) RB-IGBT的有源鉗位電路

圖4a所示為標(biāo)準(zhǔn)IGBT T1的有源鉗位設(shè)置。TVS(D2…x)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件（例如，直流母線電壓、IGBT的VCES等級(jí)）進(jìn)行選擇，并通過(guò)低壓肖特基二極管或PIN二極管(D1)從集電極連接到門極。此低壓二極管是避免電流從IGBT的門極流入集電極的必需元件，僅要求40V的阻斷能力即可。但是，如果選擇帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)?，則不能使用帶單向TVS和低壓二極管的典型有源鉗位電路。這是因?yàn)镽B-IGBT兩側(cè)的電壓將會(huì)根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變極性（圖4b）。只要相應(yīng)IGBT集電極的極性為正， 對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的TVS就可以阻斷來(lái)自該驅(qū)動(dòng)器的電壓。但是， 集電極的電壓極性反轉(zhuǎn)后，TVS二極管就開(kāi)始導(dǎo)通，整個(gè)集電極電位將會(huì)施加在低壓二極管D1的陽(yáng)極。此電壓大約等于直流母線電壓的一半，將導(dǎo)致IGBT驅(qū)動(dòng)器及相關(guān)IGBT損壞。

有兩種可選的預(yù)防措施。在第一種解決方案中，必須使用雙向而非單向TVS，如圖4c所示。但是，從圖3中可以看到它的缺點(diǎn)是負(fù)電壓“ax(C2)”有可能達(dá)到相當(dāng)于雙向TVS擊穿電壓的水平。這仍然會(huì)使二極管D1承受過(guò)高的反向電壓。因此，不推薦使用這種方法。推薦使用第二種解決方案，將低壓二極管D1替換為高壓二極管。該高壓二極管的阻斷電壓必須至少達(dá)到直流母線電壓的一半。請(qǐng)注意，除了阻斷電壓，還必須考慮二極管的爬電距離和電氣間隙。在有些情況下，可能需要使用多個(gè)二極管串聯(lián)。

2.1.1 高級(jí)有源鉗位功能

為了提高有源鉗位電路的效率， CONCEPT在其多個(gè)驅(qū)動(dòng)器中裝備了被稱為高級(jí)有源鉗位

(AAC)的功能。AAC在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的輸出級(jí)中使用附加的反饋電路。根據(jù)實(shí)際的鉗位電流/過(guò)壓狀況，內(nèi)部的推動(dòng)級(jí)MOSFET將被線性地關(guān)斷[4]。

圖5 a)標(biāo)準(zhǔn)IGBT和b) RB-IGBT的高級(jí)有源鉗位電路

如果使用帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)?，則需要修改常規(guī)的AAC設(shè)計(jì)。圖5 a 所示為包含D1和D3（低壓二極管）的標(biāo)準(zhǔn)IGBT常用的AAC。由于僅使用一個(gè)雙向TVS(Dx)，當(dāng)–C/2施加于端子U時(shí)，A點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的高壓。這會(huì)導(dǎo)致二極管D1和D3以及20R電阻過(guò)載，最終導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)器過(guò)載。為了防止出現(xiàn)這種高壓，建議將所有單向TVS全都替換為雙向TVS。此外，這些TVS還需要再串聯(lián)一個(gè)單向TVS D4（圖5b）。TVS網(wǎng)絡(luò)的不對(duì)稱擊穿電壓可確保當(dāng)相輸出端U出現(xiàn)負(fù)電壓(-DC/2)時(shí)，A點(diǎn)產(chǎn)生的電壓處在安全范圍內(nèi)（假定根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件選擇TVS），而當(dāng)U為正電壓（+DC/2）時(shí)，有源鉗位可以正常工作。

2.2 短路保護(hù)功能

為了在短路事件中保護(hù)任何拓?fù)涞腎GBT，需要可靠的退飽和監(jiān)控功能。圖6 所示為經(jīng)典的退飽和監(jiān)控方案，該方案中使用高壓二極管。這種設(shè)置通常用于檢測(cè)短路。更先進(jìn)的解決方案是將高壓二極管替換為電阻網(wǎng)絡(luò)（圖7a 中的Rvce），該電阻網(wǎng)絡(luò)能夠在IGBT 導(dǎo)通狀態(tài)下測(cè)量VCE 電壓。這種解決方案可避免短路保護(hù)誤動(dòng)作[1]。兩種方案均可用于兩電平和三電平NPC1/NPC2 拓?fù)洹?/span>

但是，如果選擇了帶RB-IGBT 的NPC2 拓?fù)洌酶邏憾O管的退飽和監(jiān)控將不再起作用。與過(guò)壓保護(hù)功能中解釋的原因相同，只要對(duì)應(yīng)的集電極電壓為正電位（相對(duì)于發(fā)射極），且對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器的高壓二極管可阻斷集電極和驅(qū)動(dòng)器低壓側(cè)的檢測(cè)輸入端之間的電壓，這種方法就起作用。但是只要極性變?yōu)樨?fù)電位，二極管就開(kāi)始導(dǎo)通，過(guò)高的電流將流過(guò)二極管，這將會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)器和/或IGBT。

在使用電阻網(wǎng)絡(luò)的短路保護(hù)功能中，電阻Rvce 可降低集電極電壓并限制從集電極流向驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)輸入端的電流。本文的下一部分將簡(jiǎn)要介紹這種電路的原理。[5]

圖6 使用高壓二極管的退飽和監(jiān)控功能

2.2.1 使用電阻網(wǎng)絡(luò)的短路保護(hù)功能

下面的說(shuō)明請(qǐng)參照?qǐng)D 7。在IGBT 關(guān)斷狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的MOSFET 將檢測(cè)管腳連接到

COM（門極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)電位）。然后，電容C_ax 預(yù)充電/放電至負(fù)電源電壓。如果沒(méi)有二極管D1，K 點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生電壓V_K，該電壓可按公式 1 進(jìn)行計(jì)算。

公式 1： 

D1 的功能是將電壓V_K 鉗位在正電源電壓V_CC，以防止門極驅(qū)動(dòng)器的檢測(cè)輸入端受到高壓損壞。流經(jīng)K 點(diǎn)的最大電流可按下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

公式 2：

為了限制電阻網(wǎng)絡(luò)和二極管 D1 中的損耗，建議在最大直流母線電壓條件下將電流調(diào)整為

0.6…mA。流經(jīng) F 點(diǎn)的電流可按公式 3 進(jìn)行計(jì)算。此電流將在IGBT 導(dǎo)通時(shí)為C_ax 充電。C_ax 充電所需的時(shí)間決定了短路保護(hù)功能的響應(yīng)動(dòng)間。

公式 3：

在 IGBT 打開(kāi)且處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，上述MOSFET 關(guān)斷。隨著V_CE 降低，C_ax 從COM 電位充電至IGBT 飽和電壓。C_ax 上的電壓始終與由Rref 決定的參考電壓進(jìn)行比較。發(fā)生短路時(shí)，電容C_ax 的電壓隨著IGBT 退飽和而升高。當(dāng)C_ax 的電壓高于參考電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器即將此視為故障狀況。圖7b 描述了短路保護(hù)的過(guò)程。

圖7 使用電阻網(wǎng)絡(luò)的退飽和監(jiān)控功能原理圖

如果在關(guān)斷狀態(tài)下IGBT 的集電極出現(xiàn)負(fù)電壓，則K 點(diǎn)的電壓也將為負(fù)電壓。為了防止驅(qū)動(dòng)器的檢測(cè)管腳輸出電流，需要在電路中再增加一個(gè)二極管D2（圖8）。否則，在驅(qū)動(dòng)電路中將會(huì)產(chǎn)生襯底電流并發(fā)生意外的閂鎖效應(yīng)（注：也可在ASIC 內(nèi)進(jìn)行有源整流以解決此問(wèn)題）。二極管D2 可將K 點(diǎn)的電壓鉗位在發(fā)射極電位，防止/限制任何電流從驅(qū)動(dòng)器的檢測(cè)管腳流出。

圖8 改進(jìn)的使用電阻網(wǎng)絡(luò)的退飽和監(jiān)控功能

圖 9 演示了使用富士電機(jī)的RB-IGBT NPC2 4MBI300VG-120R-50 功率模塊配合CONCEPT標(biāo)準(zhǔn)版本的2SC0106T 驅(qū)動(dòng)核（2SC0108T 和2SC0435T 等其他驅(qū)動(dòng)核也適用），并按推薦的電路對(duì)短路和有源鉗位進(jìn)行修改，能夠成功的進(jìn)行短路保護(hù)。使用無(wú)吸收電容的標(biāo)準(zhǔn)裝置，施加的直流母線電壓為800V。

圖9 根據(jù)推薦電路修改驅(qū)動(dòng)器后進(jìn)行的短路測(cè)試

3 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于使用RB-IGBT的NPC2拓?fù)?，需要修改?jīng)典的保護(hù)功能，例如退飽和監(jiān)控和有源鉗位。這些修改可利用CONCEPT提供的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)核方便地實(shí)現(xiàn)。如果不做這些修改，相輸出端的負(fù)電壓將會(huì)使驅(qū)動(dòng)器過(guò)載，從而損壞驅(qū)動(dòng)器并最終損壞整個(gè)功率單元。本文推薦的解決方案，為RB-IGBTs新技術(shù)在太陽(yáng)能發(fā)電和UPS等領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)辟了新的道路。

4 參考資料

[1] Andreas Volke, Michael Hornkamp, “GBT Modules –Technologies, Driver and Application” Infineon Technologies AG, 2nd Edition 2012

[2] Manabu Takei et al., “pplication Technologies of Reverse-Blocking IGBT” Fuji Electric Journal Vol. 75 No. 8 2002

[3] Olivier Garcia et al., “afe Driving of Multi-Level Converters Using Sophisticated Gate Driver Technology” PCIM Shanghai 2013

[4] Heinz Rüedi et al., “dvantages of Advanced Active Clamping” Power Electronics Europe 2009

[5] Application Note AN-1101, “pplication with SCALE™2 Gate Driver Cores” CONCEPT 2013

[6] Datasheet, “MBI650VB-120R1-50” Fuji Electric

[7] Datasheet, “MBI300VG-120R-50” Fuji Electric

[8] Datasheet, “SC0106T2x0-12” CONCEPT